纳米科技的前沿科学

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1、纳米科技的前沿科学04级化工系无机方向汤祥瑞75号摘要：本文介绍了纳米科学技术概念和近50年来世界各国纳米技术 发展的概况，纳米物理学、纳米电子学等新型前沿学科所取得的辉煌 研究成果和发展方向，简述了纳米科技在各领域的应用，分析了纳米 粒子的物理化学制备方法，最后阐述了纳米科技在发展、应用中所呈 现出的趋势及其对它的思考。关键词:纳米科技纳米技术纳米科技应用粒子制备方法纳米是长度计量单位，一纳米(nm)是十亿分之一米。单个的纳米粒子体其粒径 范围在Inm至lOOnm之间。其尺寸大于原子簇，小于通常的微粒。直观地说,它的尺 寸是红血球的千分之一,是细菌的几十分之一，和病毒大小相当或略小。物质的粒

2、 径减小到纳米级尺寸，就会出现神奇的反常特性。与常规尺寸的材料相比,纳米材 料具有优良的力学性能,特殊的磁性能，高导电率和扩散率，高反应活性和催化性 能。在纳米尺度下物质中电子的波动性(即量子力学性质)显现得更加典型。所有 这些，引起了世界各国科学家极大的兴趣。自从扫描隧道显微镜发明以后,人类第 一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态及与表面电子行为有关的 物理、化学性质。至此,一门崭新的前沿科学纳米科技诞生了。纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界,其最终目标是直接操 纵原子和分子来构造具有特定功能的产品e。一、纳米粒子的制备方法纳米材料是具有多种优异性能的新型材

3、料，有着广阔的应用前景，被认为是21 世纪最有前途的新材料。纳米粒子则是构成纳米材料的基础，因此纳米粒子的制 备就成为纳米材料制备的关键。纳米粒子的制备方法很多，主要有物理方法、化学方法和生物合成方法，这里介 绍物理方法和化学方法。1. 物理方法(1) 真空冷凝法。这种方法是用真空蒸发、加热、高频感应等方法，使原料气 化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点是纯度高，结晶组织好，粒度可控，但技术设备 要求高。(2) 物理粉碎法。通过机械粉碎，由火花操作等方法得到纳米粒子。此法的特 点是操作简单，成本低,但产品纯度低，颗粒分布不均匀。(3) 机械球磨法。采用球磨方法，通过控制适当的条件得到纯元素、合金

4、或复 合材料的纳米粒子。其特点与粉碎法类似。2. 化学方法(1) 气相沉积法。此法是利用金属化合物蒸气的化学反应，合成纳米材料。其 特点是产品纯度高,粒度分布窄。(2) 沉淀法。把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，再沉淀热处理得到纳米材料。 其特点是简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。(3) 水热合成法。高温高压下在水溶液或蒸气等液体中合成，再经分离和热处 理得到纳米粒子。其特点是纯度高，分散性好,粒度易控制。(4) 溶液凝胶法。金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而 生成纳米粒子。其特点是反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和II -VI族化合物的制备。(5)

5、 微乳液法。两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液,在微泡 中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点是粒子的分散性和界面性 好,11-VI族半导体纳米粒子多用此法制备。二、纳米科技在各领域的应用20世纪90年代以来，纳米技术逐渐成为引人关注的焦点之一。纳米技术从根 本上改变了材料和器件的制造方法，使得纳米材料在声、磁、光、电、热力学、 敏感性等方面呈现出常规材料所不具备的许多特性，这使得纳米技术在生物、医 学、化工、信息业、军事和宇航等诸多领域得到广泛应用，并带来巨大的经济效 益。据悉，纳米技术市场规模将在未来几年内迅速扩大，到2010年全球纳米技术 将创造14400亿美元的市

6、场。在生物和医药领域，纳米技术与生物技术的结合，使得生物及医学研究均向 纳米层次发展，这对蛋白质、DNA等较大的复杂分子的观察、测定与应用具有 积极作用。同时，纳米结构的药物微粒可以改善难溶性药物的口服吸收，也便于 将药物精确地输送到目的地，增强药物的定位释药能力；应用纳米技术可生产出 有生物相容性的器官和血液代用品；纳米材料的应用还可以促进骨头愈合和人体 组织的自生长。在化学工业领域，纳米技术也有着极其广泛的应用。应用纳米技术可以生产 出提高化工厂燃烧效率，降低环境污染的催化剂；可制造出超硬度但不脆裂的钻 头及切削工具；将纳米二氧化钛粉体按一定比例加入到化妆品中可以有效地遮蔽 紫外线；用添加

7、0.1-0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装材料包装食品，既 可以防止紫外线对食品的破坏作用，还可以使食品保持新鲜；将金属纳米粒子掺 杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用。纳米技术还被推广到军事领域。如利用昆虫作平台，把纳米级分子机器人植 入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报；由纳米粒子加强的具有自修 补、抗热障、耐磨损等功能的高性能涂层材料可用于飞机及宇航设备；将纳米技 术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分 辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。纳米技术的应用不仅大大提高了人类生产和生活水平，在认识上也帮助人类 从微观层面上更加深

8、入地了解和掌握物质世界。虽然纳米技术的应用仍还处于初 级阶段，但随着纳米技术在实际生活中应用的不断深入和相关理论的不断完善， 纳米技术在改造人类社会和促进人类认知物质世界等两方面将取得更多成果。三、纳米科技主要学科发展现状纳米科技是在现代物理和新兴的高新工程技术相互融合的基础上，于20世纪 80年代迅速形成和发展起来的一门在纳米级的规模上构筑的前沿科学技术。20 世纪60年代，著名的物理学家、诺贝尔物理奖获得者Richard Feynmun率先提出了 人工合成纳米粒子的设想;70年代，美国康奈尔大学Grangvist和Buhrman曾利用 气相凝集的手段制备纳米材料；84年德国H Gleite

9、r教授首次采用惰性气体蒸发原 位加压法,制备了具有清洁界面的三维块状试样纳米晶体钳、铜、铁等;90年美国 召开了首届纳米科技大会，正式创办纳米技术杂志。我国于20世纪80年代中 期对人工合成纳米材料的制备技术给予了极大的关注,90年代初期在我国掀起了 纳米材料研究的热潮，像硅纳米轮、碳纳米管的研究成果处于世界领先地位。今天，纳米科技已从最早的纳米材料学拓展到纳米物理学、纳米电子学、纳米 机械学等各个学科，这里介绍其中几个主要学科的发展现状气纳米物理学是纳米科学中最基本和综合性的学科，主要是从理论上研究纳米 现象。纳米物理学将深入揭示物质在纳米空间内特异的物理性质、物理表征和物 理过程，如其特异

10、的结构、特殊的力学性质、光学性质、磁学性质、导电机理和 量子尺度效应等。纳米物理学研究的不断进展，将对开发其它学科的研究产生重 大影响，并促进其他学科的发展。纳米电子学是以电子波动性为理论基础的学科，是纳米科技的重要组成部分， 也是纳米技术发展的主要动力。目前,把电子作为波动处理的纳米电子器件已经 研制成功，这种器件具有更快（超高速）、更小（超微型）、更冷（微功耗）的特点。 应用纳米电子技术可以用单个原子制造开关、单电子晶体管、单电子逻辑部件等。 这种器件不象传统晶体管那样控制群电子的运动状态，而是能做到控制单个电子 的运动状态，只要控制单个电子的运动状态就可以实现某种效应。这类器件是量 子计

11、算机的重要组成部分。量子计算机的体积很小，将和米粒大小相当，但其计算 能力相当于奔腾芯片的1000亿倍,处理信息的能力相当于拥有100个工作站的超 级计算中心。如今科学家可以制成只有分子大小的电子元件“量子井”（也称量 子点”），可用于制造超高速、超微型的计算机。美国迈特公司（Mitre）纳米技术权 威詹姆斯埃伦博预言:随着纳米电子技术的不断发展，将有可能通过网络下载硬 件,即物质将变为软件。众所周知，当今的因特网下载软件是以改变分子团磁性性 能的方式重置磁盘物质结构的，如果计算机的内容不超过分子团的体积,就可以 通过重新排列磁盘上的分子制造芯片。纳米计算机的各个部件比我们当今用于磁 盘驱动器

12、上装载信息的物理结构要小得多，因此，在不久的将来，我们将能够象今 天下载软件一样从网络下载硬件囱。目前，世界各国纳米科技的研究，已经渗透到能源科学、生命医学科学、未来战 争等很多领域，相应的学科也在迅速发展，有可能彻底改变人们物质生产的方式， 引发一场深刻的产业革命。纳米科技已经成为世界各国科学家关注的焦点，许多 发达国家竞相投入巨资，以期在这一领域占据主导地位。四、结语当今世界是在先进科学技术的引领之下不断开拓发展、寻求进步的，科技水 平成为社会文明程度的重要标志。本文通过对纳米科技的探讨展现了前沿科技的 广泛应用以及前沿科技在发展、应用中所呈现出的3大趋势：第一，科学与技术、 前沿科技与传

13、统科技、前沿科技与前沿科技之间相互融合、渗透，并带动彼此发 展，从而共同促进人类社会生产力、生产关系及生产方式的一系列变革，促进 人类物质文明发展；第二，前沿科技的发展不仅关系到人类的发展，更注重人类 的可持续发展，例如对解决环境问题作出的贡献；第三，前沿科技的广泛应用不 仅给人类带来物质需求上的满足，更引发了人类思维方式的变革以及哲学和伦理 学层面的思考气这些思考将有助于人类对科技秉持批判的理性态度，在发展、 应用科学技术的过程中趋利避害，指导科技为人类造福，推动人类文明的不断进 步O参考文献1 陈百万.纳米科技方兴未艾.现代物理知识,2000(5) 14-192 陈彩凤，陈志刚等.纳米粉体的制备技术.江苏理工大学学报,2000.11第21 卷98 - 1023 李斌，沈路涛.决战纳米时代高科技领域的世界性角逐,2008-08-294 朱曾惠.纳米技术在复合材料中的应用.化工新型材料,2000第27卷(10)28 - 295 陈和生，孙振亚等.纳米科学技术与精细化工.精细与专用化学品,1999(18) 8_96 高善民，孙树声.前景广阔的纳米材料.化工新型材料,2000(6)3-407 魏东，王瑾琅.浅析前沿科技的广泛应用及发展趋势.学术视野,2005(1) 20-24